页岩气地质特征解析

页岩气是指主体位于暗色泥页岩或高碳泥页岩中,以吸附或游离状态为主要存在方式聚集的天然气。 页岩气藏、煤层气藏和致密砂岩气藏并称为三大非常规气藏,其天然气在烃源岩中大规模滞留,是典型的“自生自储”式气藏,运移距离极短,页岩气藏成藏典型地质特征如图1.1 所示。 页岩储层的渗透率超低,页岩的典型渗透率为100 ~0.01 mD,在常规油气藏中泥页岩通常被认为是油气运移的天然遮挡,即在油气圈闭中充当盖层的角色。 常规致密气藏孔隙结构的尺寸都在微米或者更大的量级,但含气页岩的孔隙结构一般都在微米至纳米级。 页岩气赋存形态包括游离气、吸附气和溶解气等,目前主要关注的是吸附气和游离气。 游离气,又称为自由气,是以游离状态赋存于页岩孔隙和天然微裂缝中的天然气;吸附气是指吸附于有机质和黏土矿物表面的天然气,以有机质吸附为主,黏土矿物中的伊利石也具有一定的吸附能力。

图1.1　页岩气藏成藏典型地质特征图

页岩气的成因机理、赋存相态、成藏聚集机理、分布变化特点及其与其他类型气藏关系之间存在广泛的变化性。 由于页岩气成藏边界条件可有适度地放宽且变化较大,各成藏地质要素之间具有明显的互补性。

1)页岩气成因机理多样性

页岩气既可以是生物成因气也可以是热成因气,或是生物成因气与热成因气的混合气。 生物成因气,通过在埋藏阶段的早期成岩作用或近代富含细菌的大气降水的侵入作用中厌氧微生物的活动形成;热成因气,通过在埋藏比较深或温度较高时干酪根的热降解或低熟生物气再次裂解形成,以及油和沥青达到高成熟时二次裂解生成,覆盖了几乎所有可能的有机生气作用机理。 成因多样性特点延伸了页岩气的成藏边界,扩大了页岩气的成藏与分布范围,使通常意义上的非油气勘探有利区带成为需要重新审视并有可能获得工业性油气勘探突破的重要对象。 通过对页岩气组分特征、成熟度特征的分析,一般认为页岩气是连续生成的生物化学成因气、热成因气或两者的混合。

生物成因气是有机物在低温下经厌氧微生物分解作用形成的天然气,富含有机质的泥页岩是页岩气形成的物质基础,缺氧环境、低硫酸盐和低温环境是生物成因页岩气形成的必要外部条件,足够的埋藏时间是生成大量生物成因气的保证。 相对于热成因气,生物成因的页岩气分布较少,主要分布于盆地边缘的泥页岩中。 热成因气是有机质在较高温度及持续加热期间经热降解和裂解作用形成的天然气。 与生物成因气相比,热成因气生成于较高的温度和压力条件,因此随干酪根热成熟度增加,热成因气在盆地地层中的体积含量呈增大趋势。

总之,页岩气的形成是热成因和生物成因共同作用的结果。 页岩气形成的根本是经微生物作用和热作用可以生成甲烷等烃类的埋藏有机质,有机质的丰度和类型对于页岩气的形成至关重要,温度、压力和还原环境是页岩气形成的必要条件。

2)页岩气赋存相态多样性

与常规天然气、根缘气不同,对于页岩气来说,页岩既是烃源岩又是储集层,因此无运移或运移距离极短,就近赋存是页岩气成藏的特点;泥页岩储层的储集特征与碎屑岩、碳酸盐岩储层不同,天然气在其中的赋存方式也有所不同。 由于页岩气在主体上表现为吸附或游离状态,成藏过程中没有或仅有极短距离的运移,因此从某种意义上说,页岩气藏具有典型煤层气和典型根缘气的双重机理,表现为过渡特征及“自生、自储、自封闭”成藏模式。 页岩气可以在天然裂缝和粒间孔隙中以游离方式存在,在干酪根和黏土颗粒表面上以吸附状态存在,甚至在干酪根和沥青质中以溶解状态存在。 生成的天然气一般情况下先满足吸附,然后溶解和游离析出,在一定的成藏条件下,这三种状态的页岩气处于一定的动态平衡体系。

页岩气包括游离态(大量存在于页岩孔隙和裂缝中)、吸附态(大量存在于黏土矿物颗粒、有机质颗粒、干酪根颗粒及孔隙表面上)及溶解态(少量存在于干酪根、沥青质、残留水以及液态原油中)气体,包含了天然气存在的几乎所有可能相态。 吸附态存在的天然气可占天然气赋存总量的20% ~85%,吸附机理增强了天然气存在的稳定性,提高了页岩气的保存能力及抗破坏能力,但同时也导致了页岩气具有产量低、周期长的开发特点。

(1)吸附机理

页岩气的含量超过了其自身孔隙的容积,溶解机理和游离机理难以解释这一现象,因此吸附机理就占据着主导优势地位,吸附作用过程可以是可逆或不可逆的,吸附方式分为物理吸附和化学吸附。 吸附量与页岩的矿物成分、有机质、比表面积(孔隙、裂隙等)、温度和压力有关。

(2)游离机理

游离状态的页岩气存在于页岩的孔隙或裂隙中,气体可以自由流动,其数量取决于页岩内自由的空间。 当气体分子满足吸附后,多余的气体分子一部分就以游离状态进入岩石孔隙和裂隙中。 游离气体含量的大小取决于孔隙体积、温度、气体压力和气体压缩系数。

(3)溶解机理(www.xing528.com)

天然气分子满足吸附机理后很可能进入液态物质中发生溶解作用,一部分页岩气以溶解态存在于干酪根、沥青和水中。 溶解机理主要以间隙充填和水合作用的形式表现出来,页岩气体分子和液态烃类接触,由于分子的扩散作用进入干酪根和沥青等烃类分子间的空隙中,称为间隙充填。 间隙充填受温度和压力影响较大。 页岩中气体分子和水分子相互作用结合或分解的过程为水合作用。 这是一个可逆过程,当结合和分解的速度相等时,它们就达到了一种动态平衡。

3)页岩气成藏机理多样性

页岩气成藏经历了非常复杂的多机理过程,是天然气成藏机理序列中的重要构成和典型代表。 根据不同的成藏条件,页岩气成藏可以表现为典型的吸附机理、活塞运聚机理或置换运聚机理。 在特征上,页岩气介于典型的吸附气(如煤层气藏)、典型活塞式成藏的根源气(如狭义深盆气藏)和典型置换式运聚的游离气(如常规的背斜圈闭气藏)三大类气藏之间。

在页岩气成藏过程中,随天然气富集量增加,其赋存方式发生改变,完整的页岩气藏充注与成藏过程可分为4 个阶段。 第一阶段为天然气生成与吸附阶段,该阶段形成的页岩气藏具有与煤层气相似的成藏机理;第二阶段为吸附气量(包括部分溶解气量)达到饱和时,富余气体解吸或直接充注到页岩基质孔隙中(也不排除少量直接进入了微裂缝中),其富集机理类似于孔隙型储层中天然气的聚集;第三阶段是随着大量气体的生成,页岩基质孔隙内温度、压力升高,出现岩石造缝以及天然气以游离状态进入页岩裂缝中成藏;经过前述三个过程后,天然气最终以吸附气和游离气的形式富集形成页岩气藏,即页岩气藏形成阶段,页岩气的形成示意图如图1.2 所示。

4)影响页岩气分布的地质因素具有多样性

构造背景与沉积条件,泥页岩厚度与体积,有机质类型与丰度,热成因历史与有机质成熟度,孔隙度与渗透率,断裂与裂缝,以及构造运动与现今埋藏深度等因素,均是影响页岩气分布并决定其是否具有工业勘探开发价值的重要因素。 影响因素多样性导致页岩气勘探具有隐蔽性。

页岩气成藏的主要影响因素是烃源岩的有机质含量及其生气作用,而控制天然气自然产能的主要条件是泥页岩中的裂缝发育程度。 因此,发现泥岩厚度较大、含碳量高、母质丰富且生气强度大以及裂缝发育,就能大致确定页岩气的空间分布,降低页岩气的勘探难度。

图1.2　页岩气赋存方式与成藏过程示意图

5)生产机理

当页岩层压力降到一定程度时,页岩中被吸附的气体开始从裂隙表面分离下来,成为页岩气的解吸气。 由于节理中的压力降低,解吸出的气体和游离态、溶解态天然气混合通过基质孔隙和裂隙扩散进入裂隙中,再经裂缝等输导系统流向井筒。 页岩气的产出可以分为三个阶段:

①在钻井、完井降压的作用下,裂缝系统中的页岩气流向生产井筒,基质系统中的页岩气在基质表面进行解吸;

②在浓度差的作用下,页岩气由基质系统向裂缝系统进行扩散;

③在流动势的作用下,页岩气通过裂缝系统流向生产井筒。

由于裂缝空间是有限的,因此早期以游离气为主的天然气产量快速下降并且达到稳定,稳定期的产量主要来源于基质孔隙里的游离气和解吸气,如图1.3 所示。 美国泥盆系页岩气藏90%的工业性气井需要经过压裂增大裂缝空间和连通性,使更多的吸附气发生解吸而向裂缝聚集。